📘 CodingMarble Learn

Химическое равновесие: Kc, Kp, Q и энергия Гиббса

В закрытом сосуде обратимая реакция идёт в обе стороны. Через некоторое время скорости прямой и обратной реакций становятся равными, поэтому количества веществ перестают меняться, но реакция не останавливается. Это динамическое равновесие. В равновесии отношение продуктов к реагентам (каждый в степени своего коэффициента) равно постоянному числу, константе равновесия K. Kc считают по концентрациям, Kp по парциальным давлениям, и Kp = Kc(RT)^Δn. Чистые твёрдые вещества и жидкости в K не входят. Реакционный коэффициент Q показывает направление: Q < K, реакция идёт вперёд; Q > K, назад; Q = K, это равновесие. K связана с энергией Гиббса: ΔG = ΔG° + RT ln Q и ΔG° = −RT ln K.

🎬 История по шагам

  1. В закрытом ящике сначала только N₂O₄. Некоторые серые пары распадаются на коричневые NO₂, а часть NO₂ снова соединяется. Через время числа перестают меняться, но молекулы всё равно продолжают превращаться. Это динамическое равновесие.
  2. Начни с любых количеств. В равновесии [NO₂]² ÷ [N₂O₄] всегда даёт одно и то же число. Это постоянное число и есть константа равновесия Kc.
  3. Для газов можно взять давления вместо концентраций. Так получается Kp. Здесь число молей газа меняется на Δn = 2 − 1 = 1, поэтому Kp = Kc × RT.
  4. Теперь ящик с твёрдым веществом: CaCO₃(тв) ⇌ CaO(тв) + CO₂(г). Сделай твёрдое вещество больше или меньше. Давление CO₂ не меняется. Значит, твёрдые вещества в K не входят.
  5. Добавим лишний NO₂. Теперь реакционный коэффициент Q больше K. Реакция идёт назад, пока Q снова не станет равным K. Знак ΔG = RT ln(Q/K) показывает направление.
  6. Свободная игра: добавляй N₂O₄ или NO₂ и смотри, как система сама возвращается к K.

Совет: тяни 3D-сцену, чтобы повернуть её. Двумя пальцами можно приблизить.

🤔 Частые сомнения — разобраны

Если количества перестали меняться, реакция остановилась?

Нет. Обе реакции продолжаются с одной скоростью. В 3D пары и одиночные молекулы продолжают меняться местами, пока числа остаются стабильными.

Зависит ли K от того, с чего я начинаю?

Нет. Двигай ползунки начальных количеств: итоговое отношение [NO₂]²/[N₂O₄] при постоянной температуре всегда приходит к одному и тому же Kc.

Когда Kp равна Kc?

Когда Δn (моли газа) = 0, потому что (RT)⁰ = 1. Для N₂O₄ ⇌ 2NO₂ Δn = 1, поэтому Kp = Kc × RT.

Почему твёрдые вещества не входят в K?

Концентрация твёрдого вещества задаётся его плотностью и постоянна. В 3D видно, что больший или меньший блок CaCO₃ даёт одно и то же давление CO₂.

Как Q и K показывают направление?

Q берёт текущие количества. Если Q > K, продуктов слишком много, и реакция идёт назад. В 3D лишний NO₂ делает Q > K, и число коричневых частиц падает обратно.

Большая K значит быструю реакцию?

Нет. K показывает, насколько далеко идёт реакция, а не как быстро. Скорость зависит от энергии активации и температуры.

Динамическое равновесие в физических и химических процессах

Равновесие значит баланс. Оно достигается только в закрытой системе (ничто не входит и не выходит).

Физические процессы: в закрытой бутылке вода испаряется, а пар конденсируется. Через некоторое время оба процесса идут с одной скоростью, и давление пара становится постоянным. Другие примеры: лёд и вода при 0 °C, насыщенный раствор сахара с лишним сахаром на дне.

Химические процессы: в обратимой реакции из реагентов получаются продукты, а из продуктов снова реагенты. Сначала скорость прямой реакции высока. Когда продуктов становится больше, растёт скорость обратной реакции. Когда две скорости сравниваются, количества веществ перестают меняться.

Равновесие называют динамическим, потому что реакция никогда не останавливается. Молекулы продолжают реагировать в обе стороны, просто мы не видим общего изменения. К одному и тому же равновесию можно прийти с любой стороны.

Попробуй: в 3D на шаге 1 смотри на числа серых и коричневых частиц. Они выравниваются, но пары и одиночные молекулы продолжают меняться местами.

Закон равновесия и константа равновесия Kc

Для общей реакции aA + bB ⇌ cC + dD при постоянной температуре:

Kc = [C]c[D]d / [A]a[B]b

Квадратные скобки означают молярную концентрацию (моль/л) в равновесии. Это закон химического равновесия (закон действующих масс). Продукты стоят сверху, реагенты снизу, и каждое вещество берётся в степени своего коэффициента.

Правила, которые надо помнить:

Попробуй: на шаге 2 двигай ползунки начальных количеств. Итоговое Q всегда устанавливается на одном и том же Kc.

Kc и Kp: связь Kp = Kc(RT)^Δn

Для газов парциальное давление p пропорционально концентрации: p = (n/V)RT = [X]RT. Подставим это в выражение для K и получим:

Kp = Kc (RT)Δn, где Δn = (моли газообразных продуктов) − (моли газообразных реагентов).

Берём R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹, давление в барах, T в кельвинах. В Δn считают только газы.

Гомогенное и гетерогенное равновесие

Гомогенное равновесие: всё в одной фазе. Примеры: N₂(г) + 3H₂(г) ⇌ 2NH₃(г); CH₃COOH(р) + C₂H₅OH(р) ⇌ CH₃COOC₂H₅(р) + H₂O(ж) в растворе.

Гетерогенное равновесие: больше одной фазы. Примеры: CaCO₃(тв) ⇌ CaO(тв) + CO₂(г); H₂O(ж) ⇌ H₂O(г); Ni(тв) + 4CO(г) ⇌ Ni(CO)₄(г).

Концентрация чистого твёрдого вещества или чистой жидкости постоянна (плотность не меняется), поэтому её считают равной 1 и в K не пишут. Для CaCO₃ ⇌ CaO + CO₂ получаем Kp = p(CO₂). Но твёрдое вещество должно быть в системе, иначе равновесия нет.

Попробуй: на шаге 4 измени количество CaCO₃. Показание CO₂ не сдвинется.

Для чего нужна константа равновесия

1. Глубина реакции. K > 10³: в основном продукты (реакция почти полностью идёт). K < 10⁻³: в основном реагенты (почти не идёт). K между 10⁻³ и 10³: заметные количества обоих.

2. Направление реакции. Запиши Q с текущими (не равновесными) количествами. Q < K → идёт вперёд. Q > K → идёт назад. Q = K → равновесие.

3. Равновесные количества. Используй ICE-таблицу: Initial (начало), Change (изменение), Equilibrium (равновесие). Подставь равновесные значения в K и найди x.

K ничего не говорит о том, как быстро наступает равновесие. Это уже кинетика.

K, Q и энергия Гиббса

Энергия Гиббса показывает, может ли изменение идти само. Для реакционной смеси:

ΔG = ΔG° + RT ln Q

В равновесии ΔG = 0 и Q = K, поэтому ΔG° = −RT ln K = −2.303 RT log K. Также ΔG = RT ln(Q/K).

Здесь берём R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹, а T в кельвинах. Попробуй: на шаге 5 на табло видно, как ΔG становится 0, когда Q возвращается к K.

Уголок экзамена

Тема «Равновесие» в индийском экзамене CBSE для 11 класса приносит около 7 баллов. Частые вопросы: записать выражения Kc и Kp, связь Kp и Kc, найти K по ICE-таблице, определить направление по Q и задачи на ΔG° = −RT ln K. Всегда пиши единицу измерения K, если её просят, и указывай температуру.

Главные формулы и определения

Разобранные примеры

1. Запиши Kc для 2SO₂(г) + O₂(г) ⇌ 2SO₃(г).

Продукты делим на реагенты, каждый в степени своего коэффициента: Kc = [SO₃]² / ([SO₂]²[O₂]).

2. Для H₂ + I₂ ⇌ 2HI при 700 K Kc = 50. Найди Kc для 2HI ⇌ H₂ + I₂ и для HI ⇌ ½H₂ + ½I₂.

Обратная реакция: K = 1/50 = 0.02. Уравнение поделили пополам: K = √0.02 = 0.141.

3. 1.0 моль N₂O₄ находится в колбе объёмом 1 л. В равновесии есть 0.52 моль NO₂. Найди Kc для N₂O₄ ⇌ 2NO₂.

Образовалось 0.52 моль NO₂, значит N₂O₄ израсходовано 0.26 моль. [N₂O₄] = 0.74 M, [NO₂] = 0.52 M. Kc = 0.52² / 0.74 = 0.2704/0.74 ≈ 0.37 mol/L.

4. Для N₂(г) + 3H₂(г) ⇌ 2NH₃(г) при 500 K Kc = 0.5 L² mol⁻². Найди Kp (R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹).

Δn = 2 − 4 = −2. RT = 0.0831 × 500 = 41.55. Kp = 0.5 × (41.55)⁻² = 0.5 / 1726.4 ≈ 2.9 × 10⁻⁴ bar⁻².

5. Для A ⇌ B K = 4. В смеси [A] = 0.5 M и [B] = 1.0 M. В какую сторону пойдёт реакция?

Q = [B]/[A] = 1.0/0.5 = 2. Q (2) < K (4), значит реакция идёт вперёд и образует больше B.

6. Найди ΔG° при 300 K для реакции с K = 10 (R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹).

ΔG° = −2.303RT log K = −2.303 × 8.314 × 300 × 1 = −5744 J/mol ≈ −5.74 kJ/mol. Знак отрицательный, значит выгодны продукты.

7. Для H₂ + I₂ ⇌ 2HI Kc = 64. Начинаем с 1 моль H₂ и 1 моль I₂ в 1 л. Найди равновесные количества.

ICE: H₂ = 1 − x, I₂ = 1 − x, HI = 2x. Kc = (2x)² / (1 − x)² = 64. Извлекаем корень: 2x/(1 − x) = 8 → 2x = 8 − 8x → x = 0.8. Значит H₂ = I₂ = 0.2 моль, HI = 1.6 моль.

8. ΔG° реакции при 298 K равна +11.4 kJ/mol. Найди K.

log K = −ΔG°/(2.303RT) = −11400/(2.303 × 8.314 × 298) = −11400/5705.8 ≈ −2.0. K = 10⁻² = 0.01. Выгодны реагенты.

Частые ошибки

Тренировочный тест

1. При динамическом равновесии:
2. Для CaCO₃(тв) ⇌ CaO(тв) + CO₂(г) Kp равна:
3. Для N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ значение Δn равно:
4. Если Q > K, реакция:
5. Если ΔG° отрицательна, то K:

Практика: отвечай сам

Введи или выбери ответ и нажми «Проверить». Если застрял, возьми подсказку; полное решение появится после ответа.

Частые вопросы

Что такое химическое равновесие простыми словами?

Это состояние обратимой реакции в закрытом сосуде, когда скорости прямой и обратной реакций равны, поэтому количества реагентов и продуктов остаются постоянными.

Какая связь между Kp и Kc?

Kp = Kc(RT)^Δn, где Δn это изменение числа молей газа (продукты минус реагенты).

Как связаны ΔG° и K?

ΔG° = −RT ln K = −2.303RT log K. Отрицательная ΔG° означает, что K > 1.

Где это изучают

Canada (Ontario)Grade 12E. Chemical Systems and Equilibrium
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªChemistry
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªChemistry
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Design and experiments (part 1)
NetherlandsVWO 5Chemical processes (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IKinetics, equilibrium and energetics
RomaniaClasa a XI-aChemical equilibrium
Spain2º BachilleratoChemical reactions
Ukraine11 класChemical reactions
CBSE (India)Class 11Equilibrium
England (GCSE, A level)Year 114.6 The rate and extent of chemical change
England (GCSE, A level)Year 115.6 The rate and extent of chemical change
England (GCSE, A level)Year 123.1 Physical chemistry
England (GCSE, A level)Year 133.1 Physical chemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermochemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Equilibrium
Japan高校(専門学科)1〜3年Advanced Chemistry
Japan高校2年Chemical change and equilibrium
South Korea고등학교 2학년Chemical equilibrium
South Korea고등학교 3학년Dynamic reactions
South Korea고등학교 3학년Reaction enthalpy and equilibrium
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Chemical equilibrium: reversible and dynamic
FranceTerminaleMatter and its changes
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
China高二Selective 1 Ch.2 Rate and equilibrium

Сначала изучи

Дальше изучай